Quel type de générateur convient à la production d'énergie éolienne ?

La fonction principale d'une éolienne est de convertir efficacement et de manière stable l'énergie mécanique, qui varie constamment en fonction de la vitesse du vent, en énergie électrique injectable dans le réseau. Par conséquent, les générateurs adaptés à la production d'énergie éolienne ne sont pas des modèles ordinaires ; ils doivent pouvoir s'adapter à une large plage de vitesses de vent, supporter des charges complexes et être facilement contrôlables par le réseau. L'industrie éolienne moderne s'articule principalement autour de trois axes technologiques, chacun présentant ses propres avantages et adapté à différents contextes.

1. Générateur asynchrone à double alimentation : un pilier de l'industrie depuis des siècles

Les générateurs asynchrones à double alimentation ont longtemps dominé le marché de l'énergie éolienne. Leur principe de fonctionnement est ingénieux : le rotor du générateur est relié à un convertisseur de fréquence plus petit par des bagues collectrices et des balais en carbone, tandis que le stator est directement connecté au réseau électrique.

Le principal avantage de cette conception réside dans son efficacité économique. Le convertisseur de fréquence ne traitant qu'environ un tiers de la puissance du circuit rotorique, le coût de l'équipement est réduit et les pertes d'énergie sont minimes. De plus, grâce à une technologie extrêmement aboutie et à une chaîne de production complète, elle est devenue une solution courante pour l'éolien terrestre, notamment pour les installations de plusieurs mégawatts, au cours des deux dernières décennies.

Cependant, ses inconvénients sont devenus de plus en plus évidents avec le développement de l'industrie. Les balais de carbone et les bagues collectrices sont des composants de contact mécanique qui nécessitent un entretien régulier dans l'environnement d'exploitation difficile des parcs éoliens et constituent des points de défaillance potentiels. De plus, en raison de la connexion directe du stator au réseau électrique, sa capacité à absorber les fluctuations de tension du réseau (c'est-à-dire sa « tenue de tension en cas de creux de tension ») est relativement faible.

2. Générateur synchrone à entraînement direct à aimant permanent : un modèle de fiabilité

La technologie d'entraînement direct adopte une approche radicalement différente. Elle élimine complètement le multiplicateur de vitesse, permettant à l'éolienne d'entraîner directement un générateur synchrone à aimants permanents multipolaires. Du fait de la faible vitesse, la fréquence du courant produit varie considérablement ; par conséquent, toute l'énergie électrique doit être traitée par un onduleur de puissance avant d'être injectée sur le réseau.

Ce système offre des avantages révolutionnaires. La suppression du réducteur, source de défaillances majeures, améliore considérablement la fiabilité et la facilité d'entretien de l'unité, un atout particulièrement précieux pour les parcs éoliens offshore difficilement accessibles. Les aimants permanents génèrent un champ magnétique sans pertes d'excitation, ce qui accroît le rendement. Plus important encore, le convertisseur de fréquence pleine puissance agit comme un pare-feu, isolant parfaitement le générateur du réseau. L'éolienne devient ainsi extrêmement insensible aux fluctuations du réseau et capable de le soutenir activement, garantissant une excellente qualité d'énergie.

Le défi réside dans la nécessité de créer un générateur de très grand diamètre et à nombreux pôles afin de produire une fréquence d'électricité suffisante à basse vitesse, ce qui engendre un volume et un poids considérables, posant ainsi des problèmes de transport et de levage. Par ailleurs, sa fabrication repose sur des aimants permanents à base de terres rares, ce qui augmente considérablement son coût.

3. Générateur synchrone à aimant permanent de vitesse moyenne (entraînement semi-direct) : la coqueluche technologique actuelle

Afin de trouver un juste équilibre entre la fiabilité de l'entraînement direct et la compacité des structures traditionnelles, des solutions de compromis, dites « entraînement semi-direct » ou « entraînement à vitesse moyenne », ont émergé et sont rapidement devenues le choix dominant pour les grandes éoliennes, notamment les modèles offshore.

Il conserve une boîte de vitesses moyenne simple et robuste (généralement avec un seul engrenage planétaire), qui augmente la vitesse de l'éolienne à un niveau modéré, entraîne un générateur synchrone à aimant permanent compact et se connecte enfin au réseau via un convertisseur de fréquence de pleine puissance.

On peut parler d'une « combinaison idéale ». Elle réduit considérablement la taille et le poids du générateur grâce à un simple réducteur, résolvant ainsi le problème de transport des groupes électrogènes à entraînement direct, tout en conservant le rendement élevé des moteurs à aimants permanents et l'excellente compatibilité avec le réseau des convertisseurs de fréquence pleine puissance. Sa fiabilité est bien supérieure à celle des systèmes traditionnels à double alimentation. Bien que l'intégration technologique soit complexe et que le coût initial ne soit pas négligeable, les avantages sont considérables en termes de coût total de l'électricité sur l'ensemble du cycle de vie.

Résumé et tendances

Globalement, la trajectoire d'évolution technologique des éoliennes est claire :

Les générateurs asynchrones à double alimentation conservent toute leur importance sur certains marchés terrestres grâce à leur maturité et à leur rentabilité.

Les générateurs synchrones à entraînement direct à aimant permanent occupent une place de choix en mer et dans les zones à faible vitesse de vent grâce à leur fiabilité inégalée.

Le générateur synchrone à aimant permanent de vitesse moyenne intègre avec succès les avantages des deux premiers, devenant ainsi le leader technologique absolu dans le développement actuel de l'énergie éolienne à grande échelle et en mer, et représentant l'orientation future de l'industrie.

Le choix d'un générateur consiste essentiellement à trouver le juste équilibre entre l'investissement initial, les coûts d'exploitation et de maintenance, le rendement de production d'électricité et les exigences de raccordement au réseau. Avec l'augmentation de la taille et de l'implantation des éoliennes en mer, les exigences en matière de fiabilité et de capacité de soutien au réseau sont devenues considérables. C'est également la raison principale pour laquelle la technologie des générateurs à aimants permanents associés à des convertisseurs de fréquence pleine puissance s'est imposée.